汽车轮胎压力检测系统TPMS教具设计

(天津中德职业技术学院汽航系，天津 300350)

图1 SP12压力传感器芯片串行通讯接口时序图

汽车轮胎压力监测系统TPMS是通过安装在轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，利用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压数据进行显示。当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。本文介绍了一种TPMS教具的设计方法，设计中采用Infineon公司生产的TPMS专用压力传感器芯片SP12作为轮胎压力检测单元的主器件，配以Microchip公司生产的集成UHF频段ASK/FSK调制方式发射器的rfPIC12F675微控制器作为控制和发送单元，实现了监测SP12传感器芯片数据线和LF输入，定期汇编并发射RF信息的功能。

一．TPMS压力检测单元设计

SP12是一种压电电阻式TPMS压力传感器，用于在100Kpa-450Kpa范围内进行压力测量的压力传感器件。SP12内置了一个用于和微控制器通讯的数字串行接口，通讯管脚分别为NCS(片选)、CLK(时钟)、SDO(串行数据输出)和SDI(串行数据输入)，其最大通讯速率可以达到500kHz。

在NCS为高电平时，所有在CLK和SDI上的信号都无效。SDO将会被置成高阻状态。在NCS的下降沿时，SCLK必须为低电平，此后每一个CLK时钟的上升沿，SP12的响应数据将会从SDO输出(LSB-MSB)。而在每一个CLK时钟的下降沿，SDI将会接收新的指令数据(LSB-MSB)。之后，收到的指令将被译码从而决定数据的目标地址。在第8个时钟的下降沿以后，NCS的上升沿将会使保存在SPI移位寄存器中的数据传送到对应的地址中去。如果在NCS上升沿之前的时钟脉冲个数不是0，8或者16的时候，一个数字滤波器将会阻止对收到的指令进行操作。出错状态标志FSI是状态寄存器中所有位进行逻辑或操作的结果。在NCS变低电平且SCLK还没有变高电平之前，SDO上将会送出FSI。且只有在返回值包含测量结果的时候，FSI输出才有效。在FSI为高电平时，至少有一个错误状态标志位被置为1，这时必须停止采样测量。

控制指令字和响应输出字都是8位的，响应输出的内容决定于上次输入的指令。每次当控制字节‘位移入’的同时，上一条控制字节的相应会‘位移出’。所以每一对指令和响应都需要2个完整的8bit的时钟移位周期。下面给出SP12主要控制指令的通讯代码格式。

表1 SP12压力传感器芯片串行通讯指令表

图2 rfPIC12F675芯片LF电路图

二．rfPIC12F675控制和发送单元设计

rfPIC12F675是一款20管脚精简封装的8位微控制器，内部集成了ASK/FSK发射器，特别适用于TPMS压力检测系统的设计应用。上电后，rfPIC12F675将执行初始化程序，随后进入休眠模式，直至检测到SP12数据线或LF输入状态变化才被唤醒。当某个输入产生了唤醒事件后，会使rfPIC12F675切换到运行模式，如果唤醒是由SP12产生的，rfPIC12F675将读取输入数据，并将其汇编成适当的消息，然后通过ASK/FSK发射器发送出去，发送完成后rfPIC12F675重新进入休眠模式。如果唤醒是由LF输入产生的，rfPIC将解译LF消息，执行相应的命令，然后重新进入休眠模式。

LF输入电路用于接收和解调125kHz信号并将收到的数据转换成特定的指令。LF输入电路利用了rfPIC12F675的内部比较器，从而降低了成本，缩小了模块尺寸并减小了静态电流。LF输入电路有一个谐调在125kHz的LC谐振回路。LF感应输入由L1和C11构成。肖特基二极管D3用于将LC谐振回路上感应的电压钳位在安全电平。LC谐振回路的输出经过限流电阻R5送入rfPIC12F675的内部比较器的负输入端。其正输入端通过rfPIC12F675的VREF模块配置为VREF。比较器输出则送至由肖特基二极管D2、电容器C9和电阻R3组成的包络检波器。使用C9和R3对LF 频率进行充分过滤，使之不在期望的数据信号边缘波动，然后将包络检波器的输出直接送至rfPIC12F675 的输出引脚，用于处理LF 数据。

ASK/FSK发射器的编码格式为：前同步码、发射器ID、压力、温度、电池电压、状态、循环冗余校验CRC。其中前同步码是由31 位逻辑1 和一位逻辑0 构成的序列。前同步码使接收器可将ASK/FSK发射信号视为有效的传感器/发送器报文，还可使接收器与发射器报文同步，从而补偿发射器中任何振荡器偏差。在设计中可以根据系统要求更改前同步码位数量，如果接收器的静态电流是个问题的话，应增加前同步码位的长度；当关注传感器/发送器电池使用状况时，应缩短前同步码位的长度。发射器ID是一个32 位的编号，32 位发射器ID保证了任意两个传感器/发送器拥有同一个ID的几率非常低。每辆汽车通常有5个传感器/发送器单元，分别安装在4个在用轮胎和1个备用轮胎上。每个传感器/发送器单元都有惟一的ID编号，以便TPMS压力检测系统区分各个轮胎。

TPMS胎压检测系统安装在汽车轮胎内部，信号的发射和接收都是通过无线射频的方式来实现的，通常情况下很难用万用表和示波器检测到数据和信号波形，学生在学习时会感到有一定的困难。借助于TPMS教具，让学生亲手搭建一个TPMS胎压检测系统，可以检测到实际的数据和信号波形，并可以通过编程的方式更改参数设置，获得了很好的教学效果。

参考文献：

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